汽车空调系统的技术发展趋势探讨

辛聪;王明明;杨波;彭飞

【摘 要】随着汽车动力的更新和新技术的应用,汽车空调技术也在不断进步,向着电动化、环保节能化、个性化的方向发展.结合实际,从传感器、执行机构、整体系统三个方面探讨了汽车空调系统的新技术及发展方向.

【期刊名称】《机电工程技术》

【年(卷),期】2017(046)005

【总页数】5页(P60-)

【关键词】汽车空调;新技术;发展方向

【作 者】辛聪;王明明;杨波;彭飞

【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511434

【正文语种】中 文

【中图分类】U463.85+1;TH122

汽车空调系统作为汽车的标配总成，是衡量汽车舒适性的重要指标，空调系统性能的优劣直接影响汽车的市场竞争力。

随着半导体技术、新能源技术、互联网技术的高速发展，工业领域的很多新技术在汽车上慢慢得到尝试和应用，汽车空调系统的发展也面临新技术的冲击和挑战。

（1）技术发展环保节能化。当前，环保意识已渗透到人类生活的方方面面，汽车是使用频率最高的出行工具之一，汽车空调的环保问题不容忽视。事实上，汽车空调技术也正朝着环保化方向发展。随着新能源技术的不断发展，电动车和混合动力车已成为汽车发展的重要方向，利用燃油余热工作的空调系统将逐渐退出市场。因此，适合新能源车的高效率空调对占领市场至关重要。

（2）产品需求日趋个性化。在国家“互联网+”战略地推动下，互联网技术高速发展，互联网汽车也越来越多的出现，汽车市场新产品推出的速度越来越快。在市场竞争中，汽车空调产品的生命周期越来越短，用户体验显得至关重要，产品个性化发展的需求更加强烈[1-11]。

汽车空调系统主要的功能是根据环境整体或局部地调节车厢内的温度，湿度以及风量，为乘客创造一个舒适的环境。

温度是汽车空调系统最主要的控制指标，如图2所示，以制冷循环为例，简单介绍汽车空调系统的工作原理。

汽车空调系统的执行机构主要包括压缩机、冷凝器总成、储液干燥罐、膨胀阀和蒸发器等。制冷剂在相关执行中循环完成液化、蒸发等物理反应，将车厢内的热量带到外面。

汽车空调从最初的只能供暖发展至今天的应用自动控制技术实现车内温度的精确控制，传感器扮演了非常重要的角色。目前比较常见的自动空调系统主要具备內温传感器、外温传感器、蒸发器传感器、阳光传感器、压力传感器和水温传感器等。

随着电子技术和材料技术的发展，温度传感器的精度更准确、环境适应能力更强，稳定性也会更高。传感器的集成度也会越来越高，比如集成LIN通信功能，作为一个LIN节点与控制器交互信息，同时还可以具备自诊断和参数修正等功能。

汽车空调系统朝着节能环保的方向发展，与环保相关的传感器也会得到快速的发展。目前一些高端的车型上已经装备了空气质量传感器和湿度传感器，配合控制器实现了自动内外气切换和自动除雾等功能。PM2.5传感器和CO2传感器也已经在汽车空调系统上推广，配合控制器可以在车内营造一个更加洁净舒适的环境。

3.1 压缩机

3.1.1 数码涡旋式压缩机

纵观压缩机的发展史，涡旋式压缩机作为压缩机，其优越的性能得到国际上广泛认可。

涡旋式压缩机具有“轴向柔性”的独特性能，可实现无级的能量调节，具体的优势：（1）容积效率高，一般来说可以达到90%～98%；（2）运行平稳，由于多腔室连续工作，不同相位的工作循环相叠合，总负载变化小，压缩机工作平稳；（3）噪音低、振动低，涡旋式压缩机没有吸气阀和活塞等机械结构，从而消除了机械撞击引起的噪音，而且，由于运行方式是圆周运动，产生的惯性力容易平衡，产生的振动非常小。

数码涡旋式压缩机的控制循环周期包含“负载期”和“卸载期”。负载期间，压缩机与常规涡旋压缩机一样，传递全部容量，输出为100%；卸载期间，由于压缩机的柔性设计，两个涡旋盘在轴向有一个微量分离，没有制冷剂通过压缩机，输出为0。通过调节“负载期”和“卸载期”这两个时间的不同组合，就可以调节压缩机的输出容量。

3.1.2 外控式变排量压缩机

传统的汽车空调，动力由发动机提供，空调压缩机的能耗相当大，对整车的动力性会有一定影响。

为了提高汽车空调的效率，改善经济性，外控式变排量压缩机的应用越来越广泛。外控式变排量压缩机的关键是控制阀，主要由电磁单元和机械结构组成，工作原理比较简单。以三电的某型号外控式变排量压缩机为例，空制器以蒸发器温度传感器的信号作为输入信息，通过改变400 Hz频率的PWM驱动信号的占空比对压缩机的功率进行无级调节。在控制阀的低压区域配备有压力敏感元件，机械机构根据低压侧的压力关系来实现调节。

外控式变排量压缩机的优点：压缩机持续工作，减少重复启停，避免惯能消耗，舒适性更强；根据需求调节排量，从而控制蒸发器温度。如图4所示，制冷量和热负荷以及能量消耗完美匹配，保证出风口温度、湿度地恒定调节。外控式变排量压缩机采用新型结构的皮带轮，扭矩波动减少，运行更稳定。

3.2 电子膨胀阀

电子膨胀阀高效、节能，通过检测蒸发器出口的过热度，准确地控制进入蒸发器的制冷剂的流量，从而稳定空调系统的负荷，保证车内环境的舒适性。电子膨胀阀的作用已经不局限于节流，它是提高制冷效率，实现机电一体化和智能化的重要手段和保证。

从控制实现的角度来看，电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器三部分构成。电子膨胀阀的形式多种多样，各有优势。但目前步进电机驱动的电子膨胀阀稳定性更高，应用更广泛。

相对于传统热力膨胀阀，电子膨胀阀的优势：（1）适用温度低；（2）过热度设定值可调，可适应汽车的复杂工况；（3）可起到节能作用。

汽车空调系统采用电子膨胀阀可实现对制冷剂流量更精确的控制，一方面满足压缩机转速变化的需求，另一方面也满足蒸发器所需的最佳制冷剂量。以压缩机转速和蒸发器过热度作为控制输入参数，运用适当的控制算法实时驱动电子膨胀阀，可在保证车内环境舒适性的基础上，明显提高系统的能效比。

3.3 冷凝器组件

随着汽车工业的发展，汽车的轻量化成为一个重要的发展方向。冷凝器组件即将空调系统中的冷凝器和储液干燥器合并成一个整体，减少了两者之间的连接管和固定结构，不仅可以减小空间，方便布置，还可以减轻重量。

目前提高制冷效率的一般方法是过量充注制冷剂，利用制冷剂倒流至冷凝器产生过冷。采用冷凝器组件，不用过量加注制冷剂，冷凝器的过冷段可以进一步冷却储液干燥剂的制冷剂，不同的过冷度需求可以通过在结构上控制过冷面积来实现。

冷凝器组件可改善汽车空调系统的经济性和环保性，成本也可进一步减少。

3.4 鼓风机

有刷直流电动机当前还是汽车空调鼓风机的主流方案，控制方式一般是采用功率MOSFET。有刷直流电动机具有效率高、调速性能好等优点，但是其采用机械的方法进行换向，噪声大，寿命短，了进一步发展。

随着现代电力电子技术和计算机技术的快速发展，无刷直流电动机调速系统越来越成熟，应用也越来越广泛。无刷直流电机调速控制相对复杂，但是现在集成的BLDC三相预驱动器越来越多，内部集成电机驱动算法，可以通过PWM或电压调速，控制电路的实现也变得简单。

无刷直流电动机的优点：（1）具有优越的起动性能和调速性能，寿命长，噪声低，运行可靠；（2）调速范围更宽广；（3）转动惯量小，响应速度快。

3.5 离子发生器

随着人们健康意识地不断增强，空气质量受到越来越多的关注。近年来，具备空气净化、消毒灭菌等功能的人工负离子产品发展迅速，车载负离子发生器也受到越来越多人的欢迎，很多汽车厂商也开始配置离子发生器。

车载离子发生器利用高压电离空气，产生正的氢离子和负氧离子，然后与水分子结合，结合体从污染物内部分离出氢分子转化成水，破坏有害物质，达到净化空气，消除病毒和抗菌的目的。

3.6 制冷剂

“蒙特利尔议定书”规定2006年之前停止制冷剂CFC12的使用，取而代之的是HFC134a。HFC134a的ODP（大气臭氧层破坏指数）为零，GWP（温室效应指数）为CFC12的六分之一。

但是HFC134a的温室效应指数仍然偏高，京都协议规定已其发展。目前，大型车企和零部件供应商都在开发以二氧化碳作为制冷剂的空调系统。随着相关技术的发展，二氧化碳系统的技术障碍会逐步解决并实现真正应用。

4.1 新型汽车空调系统

4.1.1 新型储冷汽车空调系统

新型储冷汽车空调系统主要由两部分组成：制冷/储冷循环系统和释冷循环系统。制冷循环系加注制冷剂R134a；释冷循环系统加注载冷剂（水或乙二醇），如图6所示。

当汽车以正常速度行驶时，仅制冷循环系统工作，空调安装额定工况，额定容量提供制冷。当汽车高速行驶时，制冷/储冷循环系统同时工作，制冷循环提供的制冷量大于车内需冷量，多余的冷量通过储冷循环保存起来。当汽车怠速行驶或停车时，制冷/储冷循环系统不工作，释冷循环系统提供车内所需的冷量。当汽车正常行驶且车内需冷量大于制冷系统的额定供冷量时，释冷循环系统可同时工作，弥补车内供冷量的不足，保证舒适性。

新型储冷汽车空调系统可储存汽车多余的制冷量，并适时的释放出来，可起到节能的目的。应用储冷技术，也可以减小汽车空调的装机容量。

4.1.2 余热制冷汽车空调系统

余热制冷汽车空调系统中比较成熟的是吸收式制冷技术，主要是回收利用发动机余热以驱动汽车空调系统，可同时满足节能环保的需求。

余热制冷主要是利用金属氢化物脱氢吸热的原理，通过可逆地化学反应实现加热或制冷的目的。余热制冷空调系统通常采用两种工质，要求工质吸、放氢能力强且平衡氢压不同，利用在放氢过程中的吸收反应热达到制冷目的。

余热制冷汽车空调是现阶段最有发展前景的新型制冷方式。利用汽车废气温度使工质进行化学反应，促使工质循环吸收与释放氢气，即可实现连续制冷。

4.1.3 太阳能制冷汽车空调系统

人类对太阳能的利用已经有了很多研究。太阳能制冷的实现方式主要是利用光热转换和光电转换。

光电转换的利用主要体现在两个方面，如图7所示。一种是利用特殊半导体材料制成的光伏电池板产生帕尔帖（peltire）效应，产生直流电制冷，另一种是利用产生的电能驱动压缩机做功。光热转换的利用主要是太阳能集热装置提供热能驱动吸收式制冷机工作。

太阳能汽车空调的主要优势是辐射强度与制冷量成正比，目前的发展主要受限于材料的光热转换效率和蓄能设备。随着石墨烯等新型材料技术的成熟，太阳能汽车空调技术的应用将得以实现。

4.1.4 跨临界循环二氧化碳汽车空调系统

CO2作为一种自然制冷剂，具备无毒、不燃、无污染、成本低、蒸发潜热大、单位容积制冷量大等优点，已被很多国家作为汽车空调制冷剂测长期替代物进行研究。

目前欧洲各国已开展跨临界循环二氧化碳汽车空调系统的研究工作，奔驰汽车已完成实车试验，效果较好。美国的众多学校和研究机构，也建立各种实验台，对二氧化碳汽车空调进行研究。国内对二氧化碳汽车空调系统也取得了一些成功，但距离实际应用仍有较大差距。

4.2 集成式整车热管理系统

随着新能源汽车的发展普及，空调系统已逐渐向整车热管理系统演化发展。如整合整车的冷热源合理分配，在控制空调系统的同时，统筹解决电机、电池热管理。如图8所示的一种集成式管理系统概念图，具有以下特点：

（1）电机、变速器发热作为热源，作为空调制热、电池加热热源；

（2）PTC加热仅在车辆冷启动初期使用；

（3）热管理ECU兼具空制、电池热管理、电机热管理功能。

当前汽车传统技术进步空间越来越小，电动化、智能化、网联化成为全球汽车产业发展的新引擎，为汽车的技术进步提供了新路径。

汽车整车技术以及零部件技术的快速发展，必将带动汽车空调技术的高速发展，未来新型空调系统的开发为了适应不同车型的变化必须与汽车的开发同步进行。

【相关文献】

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